机床数控技术教学课件：计算机数控装置

1、第4章1 第第4 4章章 计算机数控装置计算机数控装置4.1 4.1 概述概述4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构4.3 CNC4.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构4.4 CNC4.4 CNC装置的数据预处理装置的数据预处理第4章n计算机数控装置，简称为CNC装置，它是CNC系统的核心和中枢。主要用于控制机床的运动，完成各种曲线轮廓的加工。n不论进行哪种曲线加工，CNC装置都执行同一基本控制流程：首先读取零件程序（输入），再进行程序段的译码和预处理（刀具补偿处理和进给速度处理），然后根据程序段指令，进行插补计算和位置伺服控制，见图3-1，CNC装置除了执行基本的控制流

2、程外，还应该具有显示、I/O处理及诊断等功能。输入译码、预处理插补位置控制电机图4-1 CNC装置的基本控制流程4.1 概述概述第4章34.1 4.1 概述概述 从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种位置、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件( (各运动轴) )的位移量、速度位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。第4章CNC装置的组成装置的组成大体来讲，CNC装置由硬件和软件两大部分组成。具体地讲，CNC装置的组成为：CNC装置的组成计算机硬件（CPU、存储器、总线、I/O设备等）软件（控制软件和管理软件）可编程控制器（

3、PLC）各种接口第4章5 从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬件硬件（通用硬件和（通用硬件和专用硬件）和专用硬件）和软件软件（专用）两大部分组成的。（专用）两大部分组成的。CNCCNC系统平台系统平台第4章6PC+CNC+PLC第4章CNC4.1概述CNC系统基本组成系统基本组成第四章计算机数字控制装置第4章CNC4.1概述CNC装置的组成第四章计算机数字控制装置1. CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件便无法工作，二者缺一不可。硬件便无法工作，二者缺一不可。第4章CNCCNC系统软件的

4、功能性结构系统软件的功能性结构n软件结构软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。特殊的（或称专用的）计算机操作系统。 ，n功能特征功能特征: : 其操作系统由其操作系统由CNCCNC管理软件和管理软件和CNCCNC控制软件两部控制软件两部分组成。它是分组成。它是CNCCNC系统的灵魂。系统的灵魂。CNC第四章计算机数字控制装置系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输入程序输入程序输出程序输出程序显示程序显示程序诊断程序诊断程序译码程序译码程序

5、补偿计算补偿计算速度控制速度控制插补程序插补程序位控程序位控程序图图4.1 CNC4.1 CNC软件的构成软件的构成 第4章下午11时19分数控技术10功能：功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。q基本功能基本功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能；q选择功能选择功能用户可根据实际使用要求选择的功能。第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术11 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 qCNC的进给轴分类： 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）； 基本轴和附加轴（U、V、W）。q联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。第4章下午11时19分数控技术12

6、。第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术13 插补功能插补功能 数控系统实现零件轮廓(平 面或空间)加工轨迹运算的功能。 固定循环功能固定循环功能 数控系统实现典型加 工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深 孔钻削和切螺纹等）的功能第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术14 进给速度的控制功能。q进给速度进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/min）。q同步进给速度同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r （inch/min） 。q进给倍率（进给修调率）进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。第一节第一节

7、 概概 述述第4章下午11时19分数控技术15 主轴切削速度、周向位置控制功能。q主轴转速主轴转速主轴转速的控制功能，单位：r/min。q恒线速度控制恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速 的控制功能。单位：（m/min）q主轴定向控制主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。qC C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。q主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术16 第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术17 实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。q刀具几何尺寸管理：刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度

8、，供刀具 补偿功能使用；q刀具寿命管理刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期时 ，CNC系统将提示更换刀具；q刀具类型管理刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择 加工刀具。第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术18q刀具半径和长度补偿功能：刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的 程序控制刀具中心轨迹的功能。q传动链误差：传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。q非线性误差补偿功能：非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。第一节第一节 概概 述述

9、第4章下午11时19分数控技术19 在CNC装置中这类功能有：q菜单结构操作界面；q零件加工程序的编辑环境；q系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术20 CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。 q开机自诊断；q在线自诊断；q离线自诊断；q远程通讯诊断。第一节第一节 概概 述述第4章下午11时19分数控技术21 CNC与外界进行信息和数据交换的功能qRS232C接口，可传送零件加工程序，qDNC接口，可实现直接数控，qMAP(制造自动化协议)模块，q网卡 适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。第一节第一节 概概

10、 述述第4章22CNCCNC系统工作过程系统工作过程 输入输入译码译码数据处理数据处理插补插补将各个坐标轴的将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动伺服电动机，带动各轴运动实时位置反馈控制，使各实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。个坐标轴能精确地走到所要求的位置。1 1）输入）输入输入内容输入内容: :零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式输入方式: :磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机

11、的及连接上位计算机的DNCDNC接口输入接口输入2 2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。式存放在指定的内存专用区内。第4章233 3）数据处理：）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。理等。4 4）插补：）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行之间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5

12、 5）位置控制：）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。机。6 6）I/OI/O处理：处理：处理处理CNCCNC装置与机床之间的强电信号输入、输装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。出和控制。7 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8 8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。第4章 CNCCNC装置是在硬件的支持下，执行软件来

13、进行工装置是在硬件的支持下，执行软件来进行工作的，其控制功能在很大的程度上取决于硬件结构。作的，其控制功能在很大的程度上取决于硬件结构。 按组成按组成CNCCNC装置的印刷电路板的结构特点和插拔装置的印刷电路板的结构特点和插拔方式的不同，可分为方式的不同，可分为大板式结构大板式结构和和模块化结构模块化结构两类；两类；按按CNCCNC装置内部微处理器的数量，可分为装置内部微处理器的数量，可分为单微处理器单微处理器和和多微处理器结构多微处理器结构两类。现代两类。现代CNCCNC装置多为多微处理器模装置多为多微处理器模块化结构。块化结构。4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构第4章n一、单微处理

14、器结构的一、单微处理器结构的CNCCNC装置装置n二、多微处理器结构的二、多微处理器结构的CNCCNC装置装置4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构第4章 一、单微处理器结构的一、单微处理器结构的CNCCNC装置装置单微处理器结构的CNC装置，以一个CPU（中央处理器）为核心，由一个微处理器CPU通过总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。 图4-4中，CPU通过总线与存储器（RAM、EPROM）、PLC、位置控制器及各种接口相连。第4章CPUEPROMRAMMDI/CRT接口PLC串行通信及网络接口数控面板CRT纸带阅读机接口纸带阅

15、读机穿孔机、电传机接口I/O 接口位置控制穿孔机电传机机床速度控制单元M图4-4 单微处理器CNC装置组成框图 一、单微处理器结构的一、单微处理器结构的CNCCNC装置装置第4章 所有数控功能（如数据的存取、插补运算、输入所有数控功能（如数据的存取、插补运算、输入/ /输输出控制、位置控制、故障诊断和信息显示等）由一个微处出控制、位置控制、故障诊断和信息显示等）由一个微处理器完成。理器完成。 有的有的CNCCNC装置有两个以上的微处理器，但只有一个微装置有两个以上的微处理器，但只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，其它微处理器不能处理器能够控制总线，占有总线资源，其它微处理器不能控制总线

16、，不能访问主存储器，只能作为一个智能部件工控制总线，不能访问主存储器，只能作为一个智能部件工作，这种构成主从结构的作，这种构成主从结构的CNCCNC装置，也属于单微处理器结装置，也属于单微处理器结构，也可称之为主从方式的多微处理器结构构，也可称之为主从方式的多微处理器结构。 一、单微处理器结构的一、单微处理器结构的CNCCNC装置装置第4章河南理工大学29 特点：特点： 一个微处理器完成所有的功能一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构采用总线结构 结构简单，易于实现结构简单，易于实现 功能受限制功能受限制单微处理器结构组成：单微处理器结构组成：微处理器（微处理器（运算、控制）、存储器、总线、

17、接口；运算、控制）、存储器、总线、接口；第4章河南理工大学304.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理器单微处理器2.存储器：存储器： 只读存储器（只读存储器（ROM）：系统程序；：系统程序； 随机存储器（随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息；显示的数据、运行中的状态、标志信息； CMOSRAM或磁泡存储器或磁泡存储器：加工的零件程序、：加工的零件程序、机床参数、刀具参数；机床参数、刀具参数；第4章第类与驱动命令有关的连接电路传送的信息是数控系统与伺服驱动单元（即速度控制环）、伺服电机、位置检测和速度检测之间的控

18、制信息及反馈信息，属于数字控制及伺服控制数控系统与检测系统和测量传感器间的连接电路第类电源及保护电路 由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。第类开/关信号和代码连接电路是CNC装置与与机床参考点、限位、面板开关等以及一些辅助功能输出控制连接的信号大多通过PLC传送CNC第四章计算机数字控制装置3.CNC装置的接口电路键盘输入接口、显示器接口、机床接口、通信/网络接口（1）I/O接口标准化第4章河南理工大学32第4章河南理工大学333.CNC装置的接口电路（2）I/O信号的分类及接口电路的任务 分类：1)输入信号：机床 CNC装置 2)输出信号：CNC装置 机床输入、输出信号的类型：数字量输入

19、/输出、模拟量输入/输出、交流输入/输出 接口电路的主要任务接口电路的主要任务： 1）进行电平转换和功率放大 2）防止噪声引起误动作。用光电耦合器或继电器将CNC和机床之间的信号在电器上加以隔离 3）模拟量与数字量之间的交流第4章CNC第四章计算机数字控制装置第4章河南理工大学354.MDI接口接口 是通过数控面板上的键盘来进行操作是通过数控面板上的键盘来进行操作CNC装置的微处理器扫装置的微处理器扫描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，移位寄存器输出经描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，移位寄存器输出经报警电路检查，若按键有效，按键数据在控制选通信号的作用下，经报警电路检查，若

20、按键有效，按键数据在控制选通信号的作用下，经选择移位寄存器、数据总线送入选择移位寄存器、数据总线送入RAM存储起来。若无效，则不输入存储起来。若无效，则不输入寄存器。寄存器。第4章CNC4.位置控制单元：位置控制单元： 对进给运动的坐标轴位置进行控制（对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置包括位置和速度控制和速度控制）；）； 对主轴控制，一般只包括速度控制；对主轴控制，一般只包括速度控制； C轴位置控制：轴位置控制：包括位置和速度控制；包括位置和速度控制； 刀库位置控制（简易位置控制）。刀库位置控制（简易位置控制）。第四章第四章计算机数控装置计算机数控装置第4章 在一个数控系统中有在一个数控

21、系统中有两个或两个以上的微处理器两个或两个以上的微处理器，分别实，分别实现相应的数控功能。现相应的数控功能。多微处理器多微处理器CNCCNC装置一般采用两种结构型式，即装置一般采用两种结构型式，即紧耦合紧耦合和和松松耦合结构耦合结构。多微处理器多微处理器CNCCNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。由于采各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成用模块化结构，可以采取积木方式组成CNCCNC装置，因此具装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。与单微处理器有良好

22、的适应性和扩展性，且结构紧凑。与单微处理器CNCCNC装置相比，多微处理器装置相比，多微处理器CNCCNC装置的运算速度有了很大的装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。率的控制要求。二、多微处理器结构的二、多微处理器结构的CNCCNC装置装置第4章 模块化结构的多微处理器模块化结构的多微处理器CNCCNC装置中的基本功能模装置中的基本功能模块一般有以下六种。进一步扩充功能，还可以增加相块一般有以下六种。进一步扩充功能，还可以增加相应的模块。应的模块。 （1 1）CNCCNC管理模块管理模块 （2

23、 2）CNCCNC插补模块插补模块 （3 3）位置控制模块）位置控制模块 （4 4）存储器模块）存储器模块 （5 5）PLCPLC模块模块 （6 6）指令、数据的输入输出及显示模块）指令、数据的输入输出及显示模块二、多微处理器结构的二、多微处理器结构的CNCCNC装置装置第4章 多微处理器多微处理器CNCCNC装置各模块之间的互连和通信主要采装置各模块之间的互连和通信主要采用用共享总线共享总线和和共享存储器共享存储器两类结构。两类结构。 二、多微处理器结构的二、多微处理器结构的CNCCNC装置装置第4章 （1 1）共享总线结构）共享总线结构 总线将各模块连在一起，按要求传递信号，实现预定功能。

24、总线将各模块连在一起，按要求传递信号，实现预定功能。 共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现。共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现。 缺点是各主模块使用总线时会引起缺点是各主模块使用总线时会引起“竞争竞争”而使信息传输而使信息传输效率降低。效率降低。 （2 2）共享存储器结构）共享存储器结构 采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口使用访问。每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口使用访问。二、多微处理器结构的二、多微处理器结构的CNCCNC装置装置第4章41共享总线结

25、构共享总线结构第4章42结构特征结构特征v 功能模块分为带有功能模块分为带有CPUCPU的主模块和从模块（的主模块和从模块（RAM/ROMRAM/ROM，I/OI/O模块）；模块）；v 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；定义的标准系统总线上；v 采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。求使用系统总线的竞争问题。第4章43共享存储器结构共享存储器结构第4章44结构特征结构特征v 面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块面向公共存储器设计，即采

26、用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；之间的互连和通讯；v 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。存储器冲突的矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAMRAM）。）。第4章CNC4.2CNC系统的硬件结构所谓大板结构就是将所有或大部分硬件电路集中设计在一块大印刷电路板上，在其插槽内

27、插入部分辅助小印刷电路板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。大板式结构第四章计算机数字控制装置第4章CNC4.2CNC系统的硬件结构功能模块式结构将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成CNC装置。第四章计算机数字控制装置第4章47开放式数控系统结构开放式数控系统结构v 可移植性：可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。以用于另一平台，仍然保持原有特性。v 可扩展性：

28、可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。不同应用模块可在同一平台上运行。v 可协同性：可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。方式交换数据。v 规模可变：规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。可按照需要调整。开放的含义开放的含义: :第4章48第4章49 软数控：软数控：SoftSoft CNC CNC 以以PCPC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。通过接口

29、卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方全方位开放。位开放。 PCPC内嵌入运动控制卡内嵌入运动控制卡: :把多轴运动控制卡插入传统的把多轴运动控制卡插入传统的PCPC中，实现以中，实现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PCPC作为人机接口作为人机接口平台。平台。易实现，研究单位和高校。易实现，研究单位和高校。 PCPC内嵌入专用数控模块：内嵌入专用数控模块：专业厂家认为专业厂家认为CNCCNC系统最主要功能是高速、系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，高精加工和可靠性，PCPC的死机现象是不允许的。已生产的大量的死机现

30、象是不允许的。已生产的大量CNCCNC系统系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块PCPC板，板，提供键盘，使提供键盘，使PCPC与与CNCCNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。的功能。专业专业CNCCNC系统厂家（如系统厂家（如fanucfanuc，siemenssiemens等）现在都这样做。等）现在都这样做。开放式数控系统结构形式开放式数控系统结构形式: :第4章可编程控制器可编程控制器PLCPLC简介简介一、概述一、概述二、二、PLCPLC的结构组成和工作

31、原理的结构组成和工作原理三、三、PLCPLC在数控机床上的运用在数控机床上的运用第4章一、概述一、概述v 随着计算机技术的迅速发展，随着计算机技术的迅速发展，2020世纪世纪7070年代出现了采用微计算机技年代出现了采用微计算机技术制造的一种通用的自动控制系统术制造的一种通用的自动控制系统-可编程控制器（简称可编程控制器（简称PLCPLC）。）。v 小型小型PLCPLC完全可以取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序完全可以取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定时等功能；大型高档控制、定时等功能；大型高档PLCPLC还具有微型计算机的数据处理、模还具有微型计算机的数据处理、模

32、拟量调节以及联网通讯等功能。拟量调节以及联网通讯等功能。v PLCPLC把计算机功能完善、灵活、通用的特点与继电器控制系统的简单把计算机功能完善、灵活、通用的特点与继电器控制系统的简单易懂、抗干扰能力强等优点相结合，具有通用性强、可靠性高、编易懂、抗干扰能力强等优点相结合，具有通用性强、可靠性高、编程简单、使用方便、抗干扰能力强等优点，已广泛用于机械、冶金、程简单、使用方便、抗干扰能力强等优点，已广泛用于机械、冶金、石油、化工、电力、纺织等行业，是目前机电一体化、自动控制领石油、化工、电力、纺织等行业，是目前机电一体化、自动控制领域的首选控制器件。域的首选控制器件。第4章二、二、PLCPLC的

33、结构组成和工作原理的结构组成和工作原理1.1.结构组成结构组成一般由一般由CPUCPU、存储器、输入存储器、输入/ /输出接口模块、外围接口模块及编程器、输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩展模块扩展模块等可选部件几大部分组成，如下所示：等可选部件几大部分组成，如下所示：输入模块电源模块CPU模块系统程序存储器CPU用户程序存储器外围接口模块输出模块X执行机构扩展模块编程器传感器图3-3 PLC系统硬件框图第4章2.2.工作原理工作原理v 可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，和可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，和普通计算机一样，都是利用程序进行工作的。普通计算机一样，都是利

34、用程序进行工作的。v 用户程序通过编程器输入到用户程序通过编程器输入到PLCPLC的用户存储器中，的用户存储器中，CPUCPU对用户程序循环扫描并顺序执行。对用户程序循环扫描并顺序执行。v 整个工作过程可用下图表示：整个工作过程可用下图表示：读入开关状态逻辑运算输出运算结果执行部件动作图3-4 PLC工作过程二、二、PLCPLC的结构组成和工作原理的结构组成和工作原理第4章三、三、PLCPLC在数控机床上的运用在数控机床上的运用v 数控机床上运用的数控机床上运用的PLCPLC有两种类型：有两种类型：v 1.1.内装型内装型v PLCPLC的硬件和软件结构作为的硬件和软件结构作为CNCCNC装置

35、的基本功能统一设计装置的基本功能统一设计和制造。和制造。v 2.2.独立型独立型v PLCPLC作为作为CNCCNC装置的一个独立部件，具有独立的硬件和软装置的一个独立部件，具有独立的硬件和软件结构。根据数控机床的独立要求，可以选用通用件结构。根据数控机床的独立要求，可以选用通用PLCPLC进进行组装。行组装。第4章CNC可编程控制器PLC三、CNC系统中的PLC数数控控装装置置可 编 程 控 制 器 操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑.数控装 置、可编程控制器 、机床之间的关系 图第四章计算机数字控制装置第4章CNCCNC计算机PLCI/O电路操作面板强电电路主轴单元进给控制单元进给电

36、动机辅助动作换刀动作冷却排屑主轴电动机MS、TCNC装置可编程控制器PLC类型内装型、独立型1.内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部实现。MDI/CRT面板第四章计算机数字控制装置第4章CNCCNC计算机I/O电路操作面板强电电路主轴速度控制单元进给控制单元进给电动机辅助动作换刀动作冷却排屑主轴电动机MS、TI/O电路PLC装置I/O电 PLC路CNC装置4.4可编程控制器PLC2.独立型PLC独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。MDI/CRT面板第四章 计算机数字控制装置第4章下午11时19分数控技术58一

37、、 CNC装置软件和硬件的功能界面q合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。q在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构第4章下午11时19分数控技术59q数控系统功能界面的几种划分：输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构第4章下午11时19分数控技术60q硬件和软件在实现各种功能时的特点：q硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控

38、制的功能困难。q软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构第4章4.3 CNC4.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构n一、前后台型软件结构一、前后台型软件结构n二、中断型软件结构二、中断型软件结构n三、基于实时操作系统的软件结构三、基于实时操作系统的软件结构第4章62CNCCNC系统的软件结构特点系统的软件结构特点v 多任务性多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、位置控制、v 并行处理并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个

39、以上任务处理。或两个以上任务处理。并行处理的实现方式并行处理的实现方式： 资源分时共享（单资源分时共享（单CPU） 资源重叠流水处理（多资源重叠流水处理（多CPU）多任务性与并行处理技术多任务性与并行处理技术特点特点: :第4章63v在单在单CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，可采用系统中，可采用“资源分时共享资源分时共享”并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片）内，并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPUCPU的时间，的时间，使它们分时共享系统的资源。使它们分时共享系统的资源。v“资源分时共享资

40、源分时共享”的技术关键：的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用其二：各任务占用CPUCPU的时间长度，即时间片的分配的时间长度，即时间片的分配问题。问题。资源分时共享并行处理资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）（对单一资源的系统）第4章64资源（资源（CPUCPU）分时共享图）分时共享图第4章65并发处理和流水处理并发处理和流水处理（对多资源的系统）（对多资源的系统） 在多在多CPU结构的结构的CNC系统中，根据各任务之系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：v 若任务间的

41、关联程度不高，则可让其分别在不若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的同的CPU上同时执行上同时执行 并发处理并发处理；v 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取是另一个任务的输入，则可采取流水处理流水处理的方法的方法来实现并行处理。来实现并行处理。第4章66流水处理技术示意图流水处理技术示意图第4章CNC装置的软件结构装置的软件结构前后台型软件结构前后台型软件结构中断型软件结构中断型软件结构实时操作系统软件结构（发展趋势）实时操作系统软件结构（发展趋势）第4章一、前后台型软件结构一、前后台型软件结构v 它适用于集中控制

42、的单微处理器它适用于集中控制的单微处理器CNCCNC装置。根据各程序装置。根据各程序的实时性强弱，分为实时性强的前台程序（为实时中的实时性强弱，分为实时性强的前台程序（为实时中断程序）和实时性弱的后台程序（主要完成准备工作断程序）和实时性弱的后台程序（主要完成准备工作和管理工作，又称为背景程序）。和管理工作，又称为背景程序）。v 后台程序循环运行，在运行的过程中，前台程序不断后台程序循环运行，在运行的过程中，前台程序不断插入，前后台程序相互配合，共同完成数控的各项任插入，前后台程序相互配合，共同完成数控的各项任务。务。v 后台程序通过设定标志，前台程序才能插入，进行插后台程序通过设定标志，前台

43、程序才能插入，进行插补、位置控制等工作，也就是说，后台程序是通过设补、位置控制等工作，也就是说，后台程序是通过设定标志来达到对前台程序的调度和控制的。定标志来达到对前台程序的调度和控制的。第4章69v前台程序前台程序: :主要完成插补运算、位置控制、故障诊断主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。v后台程序后台程序( (背景程序背景程序):):完成显示、程序编辑管理、系完成显示、程序编辑管理、系统输入统输入/ /输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理预处理) )等

44、弱实时性的任务，它是一个循环运行的程等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。前后台型结构前后台型结构第4章二、中断型软件结构二、中断型软件结构中断型软件结构没有前后台之分，除初始化程序之外，整个中断型软件结构没有前后台之分，除初始化程序之外，整个系统程序安排成不同级别中断程序，整个软件是一个大的多系统程序安排成不同级别中断程序，整个软件是一个大的多重中断系统。各级中断程序是通过中断信号来调用的，执行重中断系统。各级中断程序

45、是通过中断信号来调用的，执行该中断程序的功能。该中断程序的功能。中断请求信号有两个来源中断请求信号有两个来源：硬件中断：硬件中断：由时钟或其他外部设备产生的中断请求由时钟或其他外部设备产生的中断请求软件中断：软件中断：由程序产生的中断由程序产生的中断第4章三、基于实时操作系统的软件结构三、基于实时操作系统的软件结构v 将通用将通用PCPC机操作系统（如机操作系统（如DOSDOS、WindowsWindows等）加上实时内等）加上实时内核（如高速数据处理器核（如高速数据处理器DSPDSP），），扩展成实时操作系统，在扩展成实时操作系统，在此基础上开发此基础上开发CNCCNC系统软件。系统软件。v

46、 基于实时操作系统的软件结构，系统功能的扩展和修改，基于实时操作系统的软件结构，系统功能的扩展和修改，只需将编好号的任务模块程序挂到实时操作系统上即可。只需将编好号的任务模块程序挂到实时操作系统上即可。采用该软件结构开发采用该软件结构开发CNCCNC装置，具有良好的开放性和可维装置，具有良好的开放性和可维护性。护性。第4章CNC4.4 CNC4.4 CNC装置的数据预处理装置的数据预处理CNC系统工作过程输入输入译码译码数据处理数据处理插补插补将各个坐标轴的分量送到各控将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机

47、，带动各轴运动轴运动 实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。求的位置。1 1）输入）输入输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式输入方式磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的入及连接上位计算机的DNCDNC接口输入接口输入第四章计算机数字控制装置第4章CNC2）译码：）译码：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理译码程序是以程序段为单位对信息进行处理将程序段中的工件轮廓将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译

48、成计算机识别的数据形式，信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。3）数据处理）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5）位置控制：）位置控制：在每个

49、采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6）I/O处理：处理：处理处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。制。7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。第四章计算机数字控制装置第4章2021-10-134.4 CNC4.4 CNC装置的数据预处理装置的数据预处理

50、三、刀具补偿 定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。 种类：长度补偿和半径补偿。 1）B功能刀具半径补偿计算 直线加工时刀具补偿图4.28 直线刀具补偿 VSVSYXA(x,y)A(x,y)yxOOryyyxxxAKAXOA2222cossinyxxrryyxyrrx2222yxrxyyyxryxx第4章2021-10-134.4 CNC4.4 CNC装置的数据预处理装置的数据预处理圆弧加工时刀具半径补偿 图4.29 圆弧刀具半径补偿r(x0,Y 0)(xe,Y e)(Xe,ye,yyyxxxeeeeBKBBOXRyrryRxrrxeesincosRryyyRrxxxeeeeee第

51、4章2021-10-134.4 CNC4.4 CNC装置的数据预处理装置的数据预处理 * B功能刀具半径不能处理尖角过渡问题 VSVS 图4.30 B刀补的交叉点和间断点ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C第4章2021-10-134.4 输入和数据处理 图4.32 G41直线与直线转接情况第4章下午11时19分数控技术783. . 刀具半径补偿的常用方法：刀具半径补偿的常用方法：n B刀补：R2 法，比例法，该法对加工轮廓的连接都是以圆弧进行的。如图示，ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C第4章下午11时19分数控技术79q 在外轮廓尖角加工时，由于轮

52、廓尖角处，始终处于切削状态，尖角的加工工艺性差。q 在内轮廓尖角加工时，由于C”点不易求得(受计算能力的限制)编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于刀具半径的园弧，这样才能避免产生过切。 这种刀补方法，无法满足实际应用中的许多要求。因此现在用得较少，而用得较多的是C刀补。ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C第4章下午11时19分数控技术80n C C刀补刀补q尖角工艺性好尖角工艺性好q可实现过切自动预报可实现过切自动预报( (在内在内轮廓加工时轮廓加工时) ) ，从而避免产，从而避免产生过切。生过切。刀具半径补偿原理刀具半径补偿原理ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C第4章2021-10-134.4 CNC4.4 CNC装置的数据预处理装置的数据预处理 2）C功能刀具半径补偿 处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况。 图4.31 由NC到CNC刀补的改进措施工作寄存器AS输出寄存器OS缓冲寄存器BS工作寄存器AS输出寄存器OS缓冲寄存器BS刀具补偿缓冲区CS工作寄存器AS输出寄存器OSa)NC方式b)改进的NC方式c)CNC方式